Требования NEC к проводам и напряжению, которое они переносят

Недавний инцидент касался подрядчика в Иллинойсе, который прокладывал кабели для новой коммерческой кухни, используя медный провод 10-го калибра THHN для трехфазной цепи на 30 ампер и 208 вольт для конвекционной печи. Этот тип проводника рассчитан на 600 вольт. Таблица допустимой токовой нагрузки NEC одобрила 35 ампер для использования с этим проводником в конкретной установке. Казалось, что все в порядке, но инспектор отклонил установку не из-за размера провода или номинала напряжения, а потому что подрядчик проложил провод на 208 вольт в том же канале, что и несколько цепей освещения на 120 вольт, без какой-либо физической преграды. Это нарушает требование NEC, согласно которому провода разных классов напряжения должны быть разделены, если все они не изолированы для максимального напряжения. Чтобы сделать установку соответствующей требованиям, необходимо было убрать провода с более высоким напряжением и вместо этого использовать отдельный трубопровод для них. Основной вывод классический — соблюдение требований NEC в отношении проводки и напряжения не означает лишь проверки допустимой токовой нагрузки и рейтинга изоляции. Существует взаимосвязь между напряжением, рейтингом изоляции, расстоянием и безопасными зазорами. Этот гид описывает основные правила NEC, которые связывают размеры проводов и изоляцию.

Резюме: NEC не содержит ничего подобного таблице, которая указывает, какой провод следует использовать для каждого уровня напряжения. Вместо этого NEC представляет собой сложный набор взаимосвязанных спецификаций, которые описывают несколько важных факторов, влияющих на взаимосвязь между проводом и напряжением, которое он переносит. Среди таких ключевых спецификаций мы находим номинальное напряжение изоляции (статья 310.4 NEC — требует, чтобы все провода были адекватно изолированы для максимального напряжения, которое может появиться в канале или кабеле, и чтобы провода разных классов напряжения были разделены друг от друга, если они не изолированы должным образом), допустимую токовую нагрузку и температурный рейтинг (статья 310.16 NEC и соответствующие таблицы — определяет емкость проводов на основе сечения провода, температурного рейтинга изоляции, температуры окружающей среды и количества проводов в канале и требует, чтобы сечение проводов рассчитывалось так, чтобы обеспечить пропускную способность проводов не менее, чем у тока нагрузки и номинала автоматического выключателя), падение напряжения (статья 210.19(A) Примечание инженера № 4 требует, чтобы падение напряжения не превышало 5% во время работы провода на любом ответвительном контуре и не более 3% в подводящем проводе и 2% в проводнике) и принцип 125% (статья 210.19(A)(1) — утверждает, что сечение провода должно соответствовать 125% непрерывной нагрузки плюс 100% нагрузки, предназначенной для использования в прерывистой работе). Все вышеперечисленные спецификации взаимосвязаны: например, провод, соответствующий стандарту изоляции, может оказаться меньше, чем требуется для допустимой токовой нагрузки и/или падения напряжения; аналогично, провод, соответствующий стандартам сечения, может оказаться неправильно установленным, если он размещен в канале рядом с другими проводами, принадлежащими к другому стандарту напряжения.

Номинальное напряжение изоляции: первое и самое основное требование

Все типы проводников, производимых для проводки внутри зданий, имеют номинальное напряжение, указанное либо на изоляции, либо на оболочке кабеля. Номинальное напряжение означает, что изоляция способна выдерживать указанное напряжение на постоянной основе и является первым, на что электрик или инспектор обратит внимание, чтобы проверить, может ли конкретный проводник быть применен для конкретной цепи. В соответствии с обычной практикой в низковольтных установках зданий, 300 В, 600 В и 1 000 В считаются стандартными номинальными напряжениями изоляции. Проводка, которая может выдерживать 600 В номинального напряжения изоляции, широко используется для проводки ответвительных цепей в жилых и коммерческих зданиях, включая проводники THHN, THWN и XHHW, подходит для применения в любых цепях до 600 В. Проводка, которая может выдерживать 300 В номинального напряжения изоляции, часто применяется для проводки оборудования, свитков осветительных приборов и некоторых управляющих кабелей и может использоваться только для цепей, которые используют до 300 В электричества.

Хотя правило NEC, изложенное в статье 310.4, концептуально простое, оно имеет особое значение, которое не всегда признается. По сути, все проводники, которые размещены в трубопроводе, кабеле или корпусе, должны быть изолированы в соответствии с самым высоким номинальным напряжением, найденным в трубопроводе, кабеле или корпусе. Следовательно, если в трубопроводе находятся проводники освещения на 120 вольт, а также проводники моторов на 480 вольт, то все проводники в трубопроводе должны быть изолированы в соответствии с напряжением не менее 600 вольт. Изоляция проводников на 120 вольт не может состоять из изоляции на 300 вольт, даже если проводники имеют только 120 вольт; проводники находятся вместе с теми, которые проводят более высокие напряжения, и поэтому все провода, установленные в одном трубопроводе, должны быть рассчитаны на максимальное напряжение, присутствующее в проводке. NEC предоставляет вторую возможность: проводники с различными напряжениями могут делить один и тот же трубопровод, если они изолированы друг от друга с помощью некондуктивных барьеров, хотя это крайне редко встречается в полевых условиях. Типичная практика заключается в том, чтобы покрывать проводку с смешанным напряжением с помощью проводников, которые рассчитаны на 600 вольт, что лучше всего объясняет, почему проводники с этой оценкой используются почти во всех промышленных и коммерческих проводках. Национальная ассоциация защиты от пожаров (NFPA), который публикует NEC, предоставляет полный текст статьи 310 и сопутствующих таблиц, которые определяют рейтинги изоляции, амплитуду и условия установки для каждого типа проводника.

Амплитуда и размер проводника: взаимосвязь между сечением провода, температурой и током

В проводнике напряжение остается значительным фактором, однако это не единственный определяющий размер проводника. Более того, размер проводника должен соответствовать току, необходимому для нагрузки, и размер зависит от таких факторов, как сечение проводника, температурный рейтинг изоляции, окружающие условия, а также количество токов, проходящих в трассе. Таблицы амплитуды согласно NEC – в частности, таблица 310.16 – облегчают расчет максимального допустимого количества тока для типа проводника на основе его сечения. Например, медный проводник 12-го калибра с изоляцией, рассчитанной на 75˚C, может выдерживать 25 ампер (несмотря на то, что NEC ограничил количество тока до 20 ампер для цепи) из-за того, что в соответствии с его правилами, маленькие проводники более подвержены проблемам перегрева. В таблице ниже обобщены различные данные по амплитуде для медных проводников, используемых в проводке зданий в соответствии со стандартом температурного рейтинга NEC (75 C).

Показатели ампериности подлежат изменению в зависимости от факторов окружающей среды и количества проводников, присутствующих в канале. В случае, если проводник используется на горячем чердаке, где температура окружающей среды превышает стандартную опорную температуру 30°C (86°F), его необходимо уменьшить, где его допустимая ампериность уменьшается на множители в Таблице 310.15(B)(1). Также, канал, в котором находится более трех проводников, несущих ток, должен быть уменьшен в соответствии с данными, представленными в Таблице 310.15(C)(1). В результате происходит снижение допустимой ампериности проводника, и такой провод может быть неправильно подобран для цепи выше температуры. Для помощи с конкретным расчетом для любой цепи, наш гид по какому размеру автоматического выключателя вам нужно описывает процесс, основанный на NEC, как для общих, так и для моторных нагрузок, включая факторы уменьшения, которые применяются к связкам и установкам с высокой температурой.

Падение напряжения: Рекомендация NEC, которая становится требованием на практике

Падение напряжения не является требованием, которому необходимо следовать в соответствии с NEC; скорее, это просто общая рекомендация, которой следуют многие типы проектов. В большинстве случаев рекомендации по падению напряжения от NEC соблюдаются многими инженерами. Согласно статье 210.19(A) Информационной заметки № 4, NEC рекомендует, чтобы значение падения напряжения для ответвительной цепи не превышало 5%, где не должно быть более 3% на питающем проводе и максимум 2% на ответвительной цепи. Руководящие принципы NEC утверждают, что нагрузка в 120 вольт должна получать напряжение до 114 вольт. Аналогично, в случае нагрузок на 240 и 480 вольт, соответствующие значения составляют 228 вольт и 456 вольт.

Падение напряжения определяется длиной проводника, размером проводника, количеством тока, протекающего через него, и напряжением источника. Тот же проводник, сделанный из меди 12-го калибра, который используется для передачи 20 ампер без заметного падения напряжения на расстоянии 50 футов, будет испытывать падение примерно 6%, когда расстояние увеличивается до 200 футов, что превышает допустимое согласно Национальному электрическому кодексу и может привести к проблемам с тускнением лампочек, перегревом моторов и неисправностью электронных устройств. Эта проблема может быть решена увеличением размера проводника, используя проводник меди 10-го калибра или даже 8-го калибра для длинных пробегов, чтобы обеспечить достаточное сопротивление и допустимый диапазон падения напряжения. В таблице ниже приведены вышеупомянутые максимальные длины различных размеров проводников и нагрузок.

Эти расстояния являются приблизительными и должны быть точно рассчитаны для конкретной установки, используя фактический ток нагрузки, фактическую длину проводника и применимую формулу падения напряжения NEC. Онлайн-калькуляторы и мобильные приложения, многие из которых упоминаются отраслевыми организациями, такими как Журнал Electrical Contractor, обеспечивают удобный способ выполнения этих расчетов на месте, но основная формула — Vd = (2 × L × I × R) / 1,000 для однофазных цепей, где R — сопротивление проводника на 1 000 футов согласно Таблице 8 Главы 9 NEC — проста и может быть вычислена с помощью стандартного инженерного калькулятора.

Правило 125% для непрерывных нагрузок: выбор сечения проводников для длинных линий

Правило 125% по NEC является одним из часто неправильно истолкованных положений в кодексе. Оно влияет на размер проводника, который должен использоваться в цепи. Проще говоря, непрерывная нагрузка в NEC описывается как тип нагрузки, работающей не менее 3 часов. В этом случае проводники, используемые в цепи, должны рассчитываться на основе 125% от непрерывной нагрузки вместе с 100% от непостоянной нагрузки. Например, если у нас есть цепь с непрерывной нагрузкой 16А (например, водонагреватель), это даст номинал 20А — 16А * 1,25 = 20А. Это означает, что медный проводник сечением 12 AWG является минимально допустимым для такой нагрузки. Для сравнения, медный провод сечением 14 AWG будет слишком мал, так как его номинальная нагрузка составляет 15А. Кроме того, правило применяется к устройству защиты от перегрузки: автоматический выключатель также выбирается с учетом 125% нагрузки. Таким образом, в нашем случае с 16А необходимо использовать автоматический выключатель на 20А. Вот почему многие бытовые цепи (особенно системы отопления домов, обычные осветительные цепи в зданиях и дата-центры) используют цепь на 20А с проводом 12 AWG, что соответствует требованиям кода и защищает провода от перегрева при непрерывной эксплуатации. Тот Журнал Electrical Contractor и UL предоставляют подробные рекомендации по применению правила 125% как в жилых, так и в коммерческих установках.

Правило 83%: когда проводники вводного кабеля выбираются с другим сечением

Правило 83% по NEC является важным правилом для проводников вводного кабеля жилых домов. Согласно статье 310.12(A) NEC, вводной проводник для однофамильного жилого дома может рассчитываться как 83% от номинала службы, что отличается от обычной практики, когда жилой сервис на 200 ампер рассчитывается на основе полной нагрузки, как это делается для коммерческого сервиса на 200 ампер. Правило 83% учитывает разнообразный характер электропотребления в домах, при котором маловероятно, что все приборы, освещение и розетки работают на полной нагрузке. Таким образом, сервис на 200 ампер может работать с медным проводом 2/0 AWG, который способен пропускать ток 175 ампер при температуре 75°C, в отличие от медного провода 3/0 AWG, который используется в коммерческих системах на 200 ампер. Кроме того, правило 83% применяется только к вводному проводнику, который соединяет точку подключения коммунальной службы с главным выключателем дома, но не распространяется на питающие проводники, проводники ответвленных цепей или другие сервисы ниже по цепи. Более того, правило 83% применяется только к однофамильным домам, и для всех других секторов имеет смысл рассчитывать вводные проводники на основе требований нагрузки и номинала устройства защиты от перегрузки.

Как взаимодействуют все эти правила: практический пример

Спецификации NEC относительно проводов и их уровней напряжения являются взаимосвязанными правилами, которые должны одновременно соблюдаться для одного провода. Например, производитель может использовать трехфазную цепь двигателя с напряжением 480 вольт и током 30 ампер. Провод должен иметь минимальный номинал изоляции 600 вольт, поскольку напряжение 480 вольт относится к низковольтным системам, требующим проводов с изоляцией на 600 вольт. Провод должен соответствовать требованию, чтобы его размер был равен или больше тока двигателя при полной нагрузке. Для двигателя с током 30 ампер и напряжением 480 вольт провод может быть медным проводом #10. Однако из-за специфического требования NEC для цепей двигателей, согласно которому система защиты от перегрузки должна выдерживать 125% полного тока двигателя (при использовании двигателей с непрерывной нагрузкой), размер провода может быть больше, чем #10 медный провод. Кроме того, провод должен быть понижен по номиналу в случае высоких температур; например, потолок фабрики может иметь понижение номинала летом, что требует увеличения размеров необходимых проводов. Размеры провода также должны проверяться с учетом падения напряжения; например, провод длиной 300 футов при 480 вольтах может быть #8 или #6 в зависимости от ограничений, вызванных падением напряжения. Провод также должен использоваться в системе с проводами, имеющими одинаковый или более высокий номинал изоляции более 600 вольт. Проводник, используемый для одного двигателя, должен соответствовать всем этим различным требованиям.

Часто задаваемые вопросы

Что такое правило 125% в NEC?

Согласно статье 210.19(A)(1) NEC, проводники и устройство защиты от перегрузки по току должны иметь размер 125% от непрерывной нагрузки плюс 100% от непостоянной нагрузки для непрерывной нагрузки, которая функционирует три часа и более. Следовательно, для непрерывной нагрузки в 16 ампер проводники должны иметь размер, эквивалентный 20 амперам, и автоматический выключатель на 20 ампер. Это правило помогает поддерживать тепловую безопасность, предотвращая перегрев проводов при длительной непрерывной работе.

Как определить величину напряжения на проводах?

Для измерения напряжения на проводнике используется цифровой мультиметр, настроенный на измерение переменного напряжения, при этом измерительные щупы размещаются так, чтобы один был подключен к проводнику, а второй — к заземляющему проводу цепи. Напряжение на проводе можно измерить только при его наличии под напряжением, а измерение может выполнять только сертифицированный электрик с использованием соответствующих измерительных приборов и средств безопасности. Напряжение, которое проводник может выдержать, указано на его изоляции и обычно составляет 300 или 600 вольт для изоляции строительных проводов, хотя это напряжение не следует путать с фактическим напряжением на проводнике во время измерения.

Что такое правило падения напряжения 5% в NEC?

Согласно рекомендациям, представленным в статье 210.19(A) информационной заметке № 4 Национального электротехнического кодекса (NEC), рекомендуется, чтобы максимальное общее падение напряжения в ответвительной цепи не превышало 5% от напряжения питания, включая падение напряжения в питающем проводе до 3% и падение напряжения в ответвительной цепи до 2%. Хотя это всего лишь рекомендация, она широко применяется во многих проектных спецификациях и строительных нормах. Падение напряжения можно эффективно уменьшить, используя проводники большего сечения и учитывая активный ток нагрузки, длину проводов и напряжение питания.

Что такое правило 83% в NEC?

Статья 310.12(A) NEC объясняет правило 83%, которое гласит, что для однофамильного дома проводники вводного кабеля могут иметь размер 83% от фактического номинала службы или нагрузки. Это означает, что для жилой службы с номиналом 200 ампер можно использовать проводники 2/0 AWG вместо более крупных медных проводников 3/0 AWG, которые требуются в коммерческих приложениях. Однако правило 83% применяется только к вводным проводникам однофамильного дома, в то время как все остальные проводники должны иметь размер, соответствующий их фактической амперажности, определяемой расчетами нагрузки и номиналами устройств защиты от перегрузки для этих цепей.

Ссылки

• NFPA 70 — Национальный электротехнический кодекс (NEC). Основной стандарт для электрических установок в Соединенных Штатах, включая статьи 210, 240, 310, а также таблицы ампеража и падения напряжения, регулирующие размер проводников и их установку. Национальная ассоциация противопожарной защиты.
• UL — Стандарты и сертификация проводов и кабелей. Стандарты испытаний и листинга, которые определяют номинальные напряжения изоляции, температурные характеристики и токовую нагрузку строительных проводов и кабелей.
• Electrical Contractor Magazine — Руководства по применению NEC и расчёты падения напряжения. Отраслевое издание, предоставляющее практические рекомендации по применению правил NEC по выбору сечения проводников, токовой нагрузке и падению напряжения в реальных установках.
• Mike Holt Enterprises — Обучение NEC и выбор сечения проводников. Образовательные ресурсы по правилам выбора сечения проводников NEC, включая интерактивные инструменты расчёта и подробные объяснения правил 125%, 83% и рекомендаций по падению напряжения.

Тот Требования NEC к проводам и напряжению, которое они несут не сводятся к одной таблице или одному правилу. Это сеть взаимосвязанных требований — номинальное напряжение изоляции, токовая нагрузка, падение напряжения, выбор сечения для непрерывных нагрузок и выбор сечения для вводных линий — которые вместе обеспечивают правильное определение каждого проводника в электрической установке по его напряжению, току, длине и условиям эксплуатации. Электрик, прокладывающий проводник 12-го калибра для цепи на 20 ампер, инженер, выбирающий питающий кабель 500 kcmil для распределительного щита на 400 ампер, и инспектор, проверяющий, что проводники в трассе с разным напряжением имеют номинал, соответствующий максимальному напряжению, — все они применяют одну и ту же структуру NEC. Понимание этой структуры — и применение всех её частей, а не только таблицы токовой нагрузки — является основой безопасной и соответствующей нормам электрической установки.